实验一燃烧焓的测定

实验二 燃烧焓的测定

一、实验目的

1.掌握有关热化学实验的一般知识和技术。

2.掌握氧弹的构造及使用方法。

3.用氧弹式量热计测定萘的燃烧焓。

二、预习要求

1.明确燃烧焓的定义。

2.了解氧弹式量热计的基本原理和使用方法。

3.熟悉贝克曼温度计或热敏电阻温度计的调节和使用。

4.了解氧气钢瓶和减压阀的使用方法。

三、实验原理

当产物的温度与反应物的温度相同，在反应过程中只做体积功而不做其它功

时，化学反应吸收或放出的热量，称为此过程的热效应，通常亦称为“反应热”。

热化学中定义:在指定温度和压力下，一摩尔物质完全燃烧成指定产物的焓变，

称为该物质在此温度下的摩尔燃烧焓，记作ΔCHm。通常，C、H等元素的燃烧产

物分别为CO2(g)、H2O(l)等。由于上述条件下ΔH=Qp，因此ΔCHm也就是该物质

燃烧反应的等压热效应Qp。

在实际测量中，燃烧反应常在恒容条件下进行(如在弹式量热计中进行)，这

样直接测得的是反应的恒容热效应QV（即燃烧反应的摩尔燃烧内能变ΔCUm）。

若反应系统中的气体物质均可视为理想气体，根据热力学推导，ΔCHm和ΔCUm的关系为:

(1)

式中，T为反应温度(K);ΔCHm为摩尔燃烧焓(J·mol-1);ΔCUm为摩尔燃烧内能变

(J·mol-1)；vB(g)为燃烧反应方程中各气体物质的化学计量数。产物取正值，反应

物取负值。

通过实验测得QV值，根据上式就可计算出Qp，即燃烧焓的值ΔCHm。 测量

热效应的仪器称作量热计，量热计的种类很多，本实验是用氧弹式量热计进行萘

的燃烧焓的测定。 在盛有定量水的容器中，放入内装有W克样品和氧气的密闭氧弹，然后使样

品完全燃烧，放出的热量传给水及仪器，引起温度上升。设系统（包括内水桶，

氧弹、测温器件，搅拌器和水）的热容为C（量热计每升高1K所需的热量），

而燃烧前、后的温度为T1、T2，则此样品的摩尔燃烧内能变为:

(2)

式中，ΔCUm为样品的摩尔燃烧内能变(J·mol-1);M为样品的摩尔质量(g·mol-1);W为

样品的质量(g);C为仪器的热容(J·K-1)，也称能当量或水当量。

仪器热容的求法是用已知燃烧焓的物质(如本实验用苯甲酸)，放在量热计中

燃烧，测其始、末温度，按上式即可求出C。

在较精确的实验中，燃丝等的燃烧热校正都应予考虑。

图Ⅲ-1-1 绝热式氧弹量热计

1.内筒搅拌器;2.外筒贝克曼温度计;3.氧弹;4.外筒搅拌筒;5.外筒搅拌电机;6.外筒放水龙头;7.外筒搅拌器;8.外

筒加热极板;9.外壳;10.外筒;11.水帽;12.内筒贝克曼温度计;13.内筒； A.外筒热敏电阻；B.内筒热敏电阻。

氧弹式量热计有两类:一类称绝热式氧弹量热计，装置中有温度控制系统，

在实验过程中，环境与实验体系的温度始终相同或始终略低0.3℃，热损失可以

降低到极微小程度，因而，可以直接测出初温和最高温度;另一类为环境恒温量

热计，量热计的最外层是温度恒定的水夹套，实验体系与环境之间有热交换，因

此需由温度—时间曲线(即雷诺曲线)确定初温和最高温度。下面分别叙述这二类

量热计的原理和实验方法。 Ⅰ.绝热氧弹热计式量

一、结构原理

绝热式氧弹量热计的结构如图Ⅲ-1-1所示

仪器的外筒和水帽，即量热系统的环境，充满含Na2SO4的蒸馏水，中部装

有冷却水管，底部装有加热极板二块和搅拌器。内筒放在外筒内空间的有机玻璃

架上(见图Ⅲ-1-1)。内筒和外筒各自插有一支铂电阻感温元件（见图Ⅲ-1-1中A

和B)，和另外两只性能稳定的固定电阻构成电桥桥路，并利用电位器调节电桥平

衡，当内筒和外筒温度一致时，电桥处于平衡状态，无信号输出，加热极板不加

热;当内筒温度高于外筒时，电桥不再平衡，因而有信号输出，经放大器放大后，

使触发电路产生脉冲电流，可控硅导通，加热极板使之通电，使外筒温度升高;

当外筒温度高于内筒时，电桥信号受抑制，可控硅不导通，加热极板停止通电，

多余的热量被冷却水带走，直至内筒和外筒温度一致。这样由于自动控制，使外

筒温度变化始终跟踪着内筒温度的变化，从而达到绝热的目的。

二、仪器药品

1.仪器

绝热式氧弹量热计1套; 氧气钢瓶1只; 氧气表1只; 压片机1套; 贝克曼

温度计2只;水银温度计（0℃～50℃，最小分度为0.1℃）1只; 万用电表1只; 台

称1只; 分析天平1台; 三角烧瓶(250mL)2只; 滴定管(碱式)1只; 容量瓶

(2000mL、250mL)各1只; 活搬手1只;不锈钢镊子1只。

2.药品

苯甲酸; 萘; 燃烧丝; 棉线; NaOH溶液(0.1000mol·dm-3); 酚酞。

三、实验步骤

1.仪器热容的测定

测定燃烧焓要用仪器的热容，但每套仪器的热容都不同，必须预先测定。仪

器的热容量在数值上等于量热体系温度升高1K所需的热量。测定仪器热容的方

法，是用已知燃烧焓值的苯甲酸在氧弹内燃烧，放出热量，使量热体系温度升高

ΔT，则仪器的热容量C为:

仪器热容量的测定步骤如下:

图Ⅲ-1-2 压片机

(1)取苯甲酸约0.8g～1g，倒在压片机外模内(见图Ⅲ-1-2)，徐徐旋转压片机

丝杠，使内模将样品压紧成片状。取出苯甲酸片，用小毛刷刷去外壁粘附的样品

屑，再在分析天平上准确称重后备用。

(2)截取长度为12cm的燃烧丝，用分析天平准确称重备用。

(3)拧开氧弹盖放在专用支架上，将弹内洗净，擦干，放入10mL蒸馏水。将

已准确称重的样品片放入不锈钢燃烧皿内，再将已称重的燃烧丝两端分别缠紧在

弹盖的两支电极上(图Ⅲ-1-3的2和5)，并使燃丝的中部抵在样品片上，但不能

与燃烧皿壁接触。用万用表检查图Ⅲ-1-3中4和5是否通路，若不通，说明燃烧

丝接触不良，需检查缠紧。

图Ⅲ-1-3 氧弹的构造

1.厚壁圆筒;2、5.电极;3.螺帽;4.进气孔;6.排气孔;7.弹盖;8.火焰遮板;9.燃烧皿。

(4)小心地旋紧氧弹盖子。旋紧排气孔6，将进气孔上的螺丝(接电线用)旋下，

换接导气管的螺栓，导气管另一端与氧气瓶上的氧气减压阀连接（注意:导气管

为耐高压无缝钢管，不能弯折），打开氧气钢瓶上的阀门，旋转减压阀，使表上

指针指到10kg·cm-2即可，氧气即充入弹内。关闭氧气钢瓶阀门及减压阀，拧下

氧弹上的导气管螺栓，将原来的螺丝装好，再用万用表检查两电极是否为通路，

若不通，则需放掉氧气，打开弹盖，重新缠紧燃烧丝;若是通路则可作燃烧之用。

(5)将充氧之后的氧弹放入量热计内筒中的金属支架上，用容量瓶准确量取

2250mL自来水（温度应与室温相同或略低于室温）倒入内筒，应将氧弹淹没。检查氧弹是否漏气，如 有气泡发生，则表示氧弹漏气，须取出氧弹，将各部分

旋紧，重新放入。

(6)接上点火电极的导线(接于图Ⅲ-1-3之4和5)，盖好水帽，插入已调好的

贝克曼温度计（要求水银柱不超过1.5℃刻度为宜），在外筒插入另一支贝克曼

温度计。

(7)按要求接好电源插头。打开总电源(指示灯亮)，打开搅拌器（不得有摩擦

声，如有摩擦声须调整内筒位置），打开照明开关(放大镜照明灯亮)，打开加热

开关，使外筒温度自动跟踪内筒温度，同时通入冷却水，调整冷却水流量约

400mL·min-1～500mL·min-1。

(8)实验时调整仪器的初始平衡点，调整电桥平衡旋钮，用放大镜观察内筒

温度，直到2min内温度变化不超过0.002℃为止。仪器平衡点确定后，电桥平衡

旋钮在以后实验中一般不要调整。如果发现在点火实验前，经过10min搅拌后，

内筒温度在2min内变化超过0.002℃，则需微调电桥平衡旋钮；如果内筒温度变

化有上升趋势，则将电桥平衡旋钮反时针方向旋动；如果内筒温度有下降趋势，

则将电桥平衡旋钮顺时针方向转动，以提高外筒温度。当仪器初始平衡调好后，

内外筒温度一般能相差0.3℃。

(9)用放大镜观察内筒温度，每2min记录一次，直到2min内温度变化不超过

0.002℃时，记录此刻内筒温度为T1，即可打开点火开关，点火指示灯亮后自灭，

即表示已点火，立即关闭点火开关。点火后1min内即可观察到内筒温度迅速上

升，表明点火成功，即可记录内筒温度，直到温度达到最高点或2min内温度变

化不超过0.002℃为止，此即内筒燃烧后温度T2。如果点火后2min内筒温度变化

很小，系样品未燃烧之故，说明点火失败，必须一切从头开始重做。

(10)温度记录后，即可关闭电源，加大冷却水流量，使外筒温度降至起始温

度。从内筒取出氧弹，缓缓放尽余气，取下弹盖，观察弹内，如果有黑色残物或

未燃尽的试样，此次实 验即失败。如果没有这种情况，则实验成功，用蒸馏水

洗涤氧弹内壁三次，将洗涤液收集在 250mL锥形瓶内，煮沸片刻，冷却后用标

准NaOH溶液滴定之。 称量剩余的燃烧丝的重量，将氧弹洗净，擦干备用。将

内筒自来水倒掉，擦干备用。

2.萘燃烧内能变的测定

以同样方法步骤，测定样品萘(约称取萘0.6g～0.8g)的燃烧内能变。

四、注意事项

1.使用氧气钢瓶，一定要按照要求操作，注意安全。往氧弹内充入氧气时，

一定不能超过指定的压力，以免发生危险。

2.燃烧丝与两电极及样品片一定要接触良好，而且不能有短路。 3.测定仪器热容与测定样品的条件应该一致。

五、数据处理

1.仪器热容的计算

式中，C: 仪器的热容(J·K-1);

(ΔCUm)苯甲酸:苯甲酸的摩尔燃烧内能变(J·mol-1);

W苯甲酸:苯甲酸的质量(g);

M苯甲酸：苯甲酸摩尔质量(g·mol-1);

(ΔCUm)燃丝：引火燃烧丝的燃烧内能变(铁丝为-3138J·g-1，镍铬丝则为

-1400.8J·g-1)；

W燃丝：燃烧丝在燃烧前后两次称重之差(g);

VNaOH：滴定洗弹液所消耗0.1000mol·dm-3NaOH溶液的体积(mL); 5.98: 中

和1mL0.1000mol·dm-3NaOH溶液相当于硝酸生成热和溶解热(J);

T1: 内筒燃烧前平衡温度(Ｋ);

T2：内筒燃烧后平衡温度(Ｋ);

(ΔCUm)棉: 棉线的燃烧内能变(-17479J·g-1);

W棉: 棉线质量(g)。

2.待测物萘燃烧焓的计算:

再由实验原理中(1)式计算萘的摩尔燃烧焓ΔCHm。